CN104808491A - 基于能量特征的多电飞机机电作动器建模方法及其模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机机电作动器的建模方法，主要解决多电飞机机电作动器传统的基于传递函数的建模方式工作量大和不能体现电能的功率流问题，属于多电飞机电气系统建模仿真技术领域。本发明基于部件能够实现的具体功能在其输入输出端表现出来的能量特征进行建模，不需要分析机电作动器的具体结构，不仅工作量小、建模速度快，而且模型结构简单通用、运行速度快。利用本发明方法建立的模型能够反映功率的输入输出关系，具有与电网之间的规范化的功率接口，适合于多电飞机电气负载的仿真，能真实地反映出机电作动器对电网功率的影响。

Description

基于能量特征的多电飞机机电作动器建模方法及其模型

技术领域

本发明公开了基于能量特征的机电作动器建模方法，属于多电飞机电气负载仿真建模的技术领域。

背景技术

多电飞机的特点之一是将以往由液压能驱动的液压作动器改为由电能驱动的机电作动器。机电作动器是通过电力电子变换器来控制电动机的旋转运动，再由机械装置将旋转运动变成直线运动，驱动飞机舵面。由于用电能取代了液压能，多电飞机将会效率更高、可靠性更高，因此成为飞机的发展方向。

由于飞机电网中的机电作动器越来越多，其功率尤其是起动时的冲击功率大，对飞机电网造成的影响不可低估。为分析其对电网的影响，需要开展仿真研究工作，必须建立能反映机电作动器起动功率冲击的仿真模型，研究其对电网的影响，保证飞机电网安全运行，避免电网过大波动，提高电气系统的供电质量。

现有的机电作动器的仿真模型主要侧重于两个方面，一个方面是通过研究机电作动器内部的具体结构，在稳态工作点附近建立各个部件的小信号模型；另一个方面是以位移作为给定量，通过小信号模型分析其稳态和动态响应性能，电压输入只是作为扰动量。

以上建模方法存在两个问题：1)建模需要分析机电作动器的具体结构，建立的模型复杂，运行时间长；2)模型不能反映功率的输入量，因此与电网之间没有规范化的功率接口，不能分析机电作动器对电网的影响。

发明内容

为克服上述现有建模方法存在的不足，本发明提出了一种基于能量特征的机电作动器的建模方法，解决多电飞机机电作动器传统的基于传递函数的建模方式工作量大和不能体现电能的功率流问题，其不仅工作量小、建模速度快，而且模型结构简单、运行速度快，该方法建立的模型具有与电网之间的规范化的功率接口，能满足多电飞机电气系统仿真的需要。其中能量特征是指部件能够实现的具体功能在其输入输出端表现出来的典型特征。

本发明采用的技术方案是：

一种基于能量特征的机电作动器的建模方法，其特征是，包括如下步骤：

1)以能量特征为主线，将机电作动器拆分成电能变换器、电动机和旋转-直线变换器三个功率可观测的功率模块，以及一个闭环反馈模块；

2)分别分析三个功率模块的输入和输出的能量关系，建立各功率模块基于能量特征的模型；

3)将控制回路作为一个独立的反馈模块，以PI反馈构成所述闭环反馈模块；

4)将电能变换器、电动机和旋转-直线变换器三个功率模块的模型依次串联，在旋转-直线变换器和电能变换器之间加上所述闭环反馈模块，构成具有标准接口的机电作动器模型，机电作动器模型的输入为直流电压、直流电流，输出为力和直线速度，其他的外部参数作为模型的外部输入参数，或设置成默认参数。

本发明还提供了一种基于能量特征的机电作动器的模型，其特征在于包括顺次串联的电能变换器、电动机和旋转-直线变换器三个功率可观测的功率模块，以及一个闭环反馈模块，闭环反馈模块连接在旋转-直线变换器和电能变换器之间，机电作动器模型的输入为直流电压、直流电流，输出为直线力和直线速度；其中电能变换器的输入为直流电压、直流电流，输出为交流电压、交流电流，电动机的输入为电能变换器输出的交流电压、交流电流，输出为转矩、转速，旋转-直线变换器的输入为电动机输出的转矩、转速，输出为力和直线速度，闭环反馈模块的输入为旋转-直线变换器输出的直线速度，输出为电能变换器的电压控制信号；机电作动器模型的其他外部输入或默认设置的参数包括：电能变换器的效率、电动机的效率、旋转-直线变换的效率、电能变换器的输入等效电阻、等效电容、电动机的转动惯量、直线运动质量、位移给定、负载力，电压/转速比、转速/线速度比、电压放大系数、积分系数、电压限幅参数；机电作动器模型中各受控关系以受控电压源或受控电流源的形式反映。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明基于部件能够实现的具体功能在其输入输出端表现出来的能量特征进行建模，不需要分析机电作动器的具体结构，不仅工作量小、建模速度快，而且模型结构简单通用、运行速度快，利用本发明方法建立的模型能够反映功率的输入输出关系，具有与电网之间的规范化的功率接口，适合于多电飞机电气负载的仿真，能真实地反映出机电作动器对电网功率的影响。

附图说明

图1整个机电作动器的结构分割图；

图2电能变换器的输入-输出能量关系图；

图3电动机的输入-输出能量关系图；

图4旋转机械的输入-输出能量关系图；

图5旋转-直线运动变换装置的输入-输出能量关系图；

图6整个机电作动器模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1，本发明方法将机电作动器分割成电能变换器、电动机和旋转-直线变换器三个功率模块和一个闭环反馈模块，机电作动器的输入为直流电压和直流电流；输出为直线速度和直线力。

如图2，电能变换器的输入为直流电压U_in和直流电流I_in，输出为三相交流电压u₁和电流i₁，电能变换器中的储能元件吸收的功率为P_1C，可以用电阻R₁和电容C₁串联构成的电路模拟储能元件，其在电压上升过程中储能，在电压下降过程中释放电能；电能变换器输入功率为P₁，输出功率为P₂，U₂为输出相电压有效值，I₂为输出电流有效值，在每个稳态功率点的效率曲线为h1。电能变换器的输出电压与频率成正比，而频率与电动机的转速、机电作动器的输出直线速度成正比，因此电能变换器的输出电压与直线速度v成正比。电能变换器的电压受闭环反馈模块的输出量控制，设闭环反馈模块的输出量为U_C，电压放大系数为K_UC。

得到电能变换器的输入-输出表达式为：

$P_1=P_{1c}+\frac{P_2}{h_1}$

$I_1=\frac{P_2}{h_1{U}_{\mathrm{in}}}$

P₁＝U_in·I_in

P₂＝3U₂·I₂

U₂＝K_UCU_C

如图3，电动机是永磁同步电动机，电压/频率比K_uf和电压/转速比K_Uw都恒定。输入功率因数为1，输入功率＝电能变换器输出功率P₂＝3×电动机输入相电压(即U₂)×电动机输入相电流(即I₂)。该模块有转动惯量储能，设储能功率为P_2C，P_2C与转速ω的变化量和电动机的转动惯量J₁有关，储能元件在转速上升过程中储能，在转速下降的过程中释放电能，储存的能量为转速不变时P_2C为零，用电容C₂模拟惯性元件的储能，该电容等效值为J₁，电压值等效为转速ω弧度，等效电流为T_2C。模块产生的总转矩为T₁，其中一部分以能量的形式存储在储能元件中为T_2C，另一部分为输出转矩T₂、转速ω，输出功率P₃＝输出转矩×输出转速。电动机在各个输出稳态功率点的效率曲线为h₂。则有：

$P_2=\frac{(P_{2C}+P_3)}{h_2}$

$w=\frac{U_2}{K_{\mathrm{Uw}}}$

P₃＝T₂w

C₂＝J₁

T₁＝T_2C+T₂

$I_2=\frac{T_{1}w}{3h_2{U}_2}$

如图4，旋转-直线运动变换装置是第三个能量可观测的模块。该模块输入功率为电动机的输出功率P₃。该模块有转动惯量和直线惯量储能，总的运动惯量储能等效为直线运动的质量为m的物体。设储能功率为P_3C，储能元件在转速上升过程中储能，在转速下降的过程中释放电能，储存的能量转速不变时P_3C为零。用电容C₃模拟惯性环节的储能，该电容等效值为m，电压为直线速度v，等效电流为F_3C，K_wv定义为转速/线速度比。模块的输出功率标记为P₄，F₃为输出的总的直线力，其中一部分以能量的形式存储在储能元件中为F_3C，另一部分为负载力F_L，v为输出的直线速度，则P₄＝输出直线力×输出直线速度。模块在各个输出稳态功率点的效率曲线为h₃。则有：

$P_3=\frac{(P_{3C}+P_4)}{h_3}$

$v=\frac{w}{K_{\mathrm{wv}}}$

P₄＝F_Lv

C₃＝m

F₃＝F_3c+F_L，F_L为负载力

$T_2=\frac{F_{3}v}{h_{3}w}$

如图5，可得反馈控制环节的模型。反馈环节为积分调节(PI)方式，反馈输入为直线速度v，根据公式计算出位移L，与位移给定L_g相比较进行积分调节，积分器的输出为U_e，其中K_f为积分器的调节系数，可以根据具体模型的要求进行设置，用以调节输出U_e的大小，之后对U_e取限幅值，得到电能变换器的电压控制信号U_C。为实现先升速后降速的控制规律，取给定位移的一半作为参考值。表达式为：

L＝∫vdt

$U_C=U_e=K_f\∫(\frac{1}{2}{L}_g-L)$

-U_cmax￡U_C￡U_cmax，U_cmax为电压限幅参数

如图6，将机电作动器的各个部分串联后得到的基于能量的机电作动器模型，输入为直流电压U_in和直流电流I_in；输出为直线速度v和直线力F₃。中间的一些需要设置或默认的参数有：电能变换器的效率曲线η₁、电动机的效率曲线η₂、旋转-直线变换的效率曲线η₃、电能变换器的输入等效电阻R₁、等效电容C₁、电动机的转动惯量J₁、直线运动质量m、位移给定L_g、负载力F_L，电压/转速比K_uw、转速/线速度比K_wv、电压放大系数K_UC、积分系数K_f、电压限幅参数U_cmax。本文中各参数均采用国际单位制。机电作动器模型中，每个模块均有输入和输出，上一级模块的输出电压是作为下一级模块的源，因而每一个模块的输出端利用受控电压源产生输出电压，而输入端则利用受控电流源表征从上一级模块中获取的电流，而电流大小则与本级模块的负载相关。因此各受控关系均以受控电压源或受控电流源的形式反映。

Claims (10)

1.一种基于能量特征的机电作动器的建模方法，其特征是，包括如下步骤：

1)以能量特征为主线，将机电作动器拆分成电能变换器、电动机和旋转-直线变换器三个功率可观测的功率模块，以及一个闭环反馈模块；

2)分别分析三个功率模块的输入和输出的能量关系，建立各功率模块基于能量特征的模型；

3)将控制回路作为一个独立的反馈模块，以PI反馈构成所述闭环反馈模块；

4)将电能变换器、电动机和旋转-直线变换器三个功率模块的模型依次串联，在旋转-直线变换器和电能变换器之间加上所述闭环反馈模块，构成具有标准接口的机电作动器模型，机电作动器模型的输入为直流电压、直流电流，输出为直线力和直线速度，其他的外部参数作为模型的外部输入参数，或设置成默认参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量特征的机电作动器建模方法，其特征是，电能变换器的输入为直流电压、直流电流，输出为交流电压、交流电流，电能变换器的输入功率其中P_1C为电能变换器内部储能元件的储能功率，储能元件在电压上升过程中储能，在电压下降过程中释能，P₂为电能变换器的输出功率，h₁为电能变换器在各个输出稳态功率点的效率曲线。

3.根据权利要求2所述的一种基于能量特征的机电作动器建模方法，其特征是，所述储能元件用RC串联电路模拟。

4.根据权利要求1所述的一种基于能量特征的机电作动器建模方法，其特征是，电动机是永磁同步电动机，输入功率因数为1，按照恒定电压/频率比的方式调速，其输入为电能变换器输出的交流电压、交流电流，输出为转矩、转速，电动机的输入功率＝电能变换器的输出功率其中P_2C为电动机内部惯性储能元件的储能功率，储能元件在转速上升过程中储能，在转速下降过程中释能，储存的能量J₁为电动机的转动惯量，ω为转速，P₃为电动机的输出功率，h₂为电动机在各个输出稳态功率点的效率曲线。

5.根据权利要求4所述的一种基于能量特征的机电作动器建模方法，其特征是，所述惯性储能元件用一个等效电容模拟，其等效电压值等于转速ω，等效电容量等于转动惯量J₁。

6.根据权利要求1所述的一种基于能量特征的机电作动器建模方法，其特征是，旋转-直线变换器的输入为电动机输出的转矩、转速，输出为直线力和直线速度，旋转-直线变换器有转动惯量和直线惯量储能，等效为质量为m的物体以所述直线速度进行直线运动的动能，其输入功率＝电动机的输出功率其中P_3C为旋转-直线变换器内部惯性储能元件的储能功率，储能元件在转速上升过程中储能，在转速下降过程中释能，储存的能量v为旋转-直线变换器输出的直线速度，旋转-直线变换器的输出功率P₄＝旋转-直线变换器输出的直线力×直线速度，h₃为旋转-直线变换器在各个输出稳态功率点的效率曲线。

7.根据权利要求6所述的一种基于能量特征的机电作动器建模方法，其特征是，所述旋转-直线变换器内部惯性储能元件用一个等效电容模拟，其等效电压值等于输出的直线速度v，等效电容量等于质量m。

8.根据权利要求1所述的一种基于能量特征的机电作动器建模方法，其特征是，闭环反馈模块的输入为旋转-直线变换器输出的位移和直线速度，闭环反馈模块根据直线速度计算位移并与给定位移比较，比较结果输入积分器进行调节，积分器的输出取限幅值得到电能变换器的电压控制信号。

9.根据权利要求1所述的一种基于能量特征的机电作动器的建模方法，其特征是，以受控电压源或受控电流源的形式反映机电作动器模型中各受控关系。

10.一种基于能量特征的机电作动器的模型，其特征在于包括顺次串联的电能变换器、电动机和旋转-直线变换器三个功率可观测的功率模块，以及一个闭环反馈模块，闭环反馈模块连接在旋转-直线变换器和电能变换器之间，机电作动器模型的输入为直流电压、直流电流，输出为直线力和直线速度；其中电能变换器的输入为直流电压、直流电流，输出为交流电压、交流电流，电动机的输入为电能变换器输出的交流电压、交流电流，输出为转矩、转速，旋转-直线变换器的输入为电动机输出的转矩、转速，输出为直线力和直线速度，闭环反馈模块的输入为旋转-直线变换器输出的直线速度，输出为电能变换器的电压控制信号；机电作动器模型的其他外部输入或默认设置的参数包括：电能变换器的效率、电动机的效率、旋转-直线变换的效率、电能变换器的输入等效电阻、等效电容、电动机的转动惯量、直线运动质量、位移给定、负载力，电压/转速比、转速/线速度比、电压放大系数、积分系数、电压限幅参数；机电作动器模型中各受控关系以受控电压源或受控电流源的形式反映。